On recense de nombreux champs d’application de la reconstruction 3D des bâtiments en télédétection optique et RADAR, parmi lesquels :
– la cartographie avec la représentation (simple ou complexe) du paysage urbain et semi-urbain [WZS10, GHS00, BH03, FBB09, AA10, BM99, DJ01, Pap98, Jib02, Tai05] ;
– la détection de changements avec l’étude de l’évolution des aménagements et des structures urbaines dans les applications de surveillance et l’évaluation des dom- mages causés en situation de crise [Ben10, MS10, Mer10, Bal04, TPCI09, BLB10] (gestion du cas classique où une image optique pré-évènement ou une base de don- nées pré-évènement et une image RADAR post-évènement sont disponibles) ; – la simulation 3D, avec certaines applications dans le domaine civil (exemple : éla-
boration de jeux de plateforme grand public) et militaire (exemple : préparation de missions).
Chapitre 3
Présentation de la chaîne de
traitements proposée
Dans ce chapitre, nous décrivons dans sa globalité la chaîne de traitements propo- sée. Les fonctionnalités du système, les choix stratégiques associés et l’organisation de la chaîne sont d’abord exposés. Les hypothèses de travail adoptées pour réaliser la re- construction des bâtiments et les limites inhérentes à notre approche de reconstruction sont ensuite explicitées. Enfin, nous présentons les jeux de données réelles sur lesquels la chaîne sera évaluée.
3.1 Description de la chaîne complète
3.1.1 Objectifs, fonctionnalités et contraintes
Le but de ces travaux est de développer une chaîne complète de traitements semi- automatiques, capable de fournir en sortie une reconstruction simple des bâtiments pré- sents dans une scène urbaine ou semi-urbaine, à partir d’images satellitaires optiques et RADAR à haute résolution.
Le système développé prendra uniquement en entrée un couple composé d’une seule image optique et d’une seule image RADAR d’une même scène, ainsi qu’un MNT asso- cié.
Les contraintes suivantes devront être satisfaites :
1. La chaîne doit être capable de fonctionner en conditions opérationnelles, ce qui implique la capacité à pouvoir traiter de larges zones en un temps relativement court et avec une intervention de l’opérateur aussi limitée que possible (traitements semi-automatiques).
2. Les différentes étapes composant la chaîne doivent être en mesure de fournir l’inté- gralité des informations planimétriques et altimétriques, requises pour une recons- truction simple, précise et fiable des bâtiments.
3. Un indice de confiance pertinent, témoignant de la qualité de la reconstruction, doit être proposé en fin de chaîne pour chaque bâtiment reconstruit.
Il s’agira donc d’explorer et d’intégrer, à travers une séquence de méthodes inno- vantes, l’ensemble des informations complémentaires susceptibles d’être issues des don- nées optiques et RADAR, en vue d’une reconstruction de la scène urbaine.
duo optique-RADAR) correspond à un cas pratique susceptible d’être observé en milieu opérationnel et nécessite donc pleinement d’être étudiée. On peut citer : la vérification de bâtiments dans un contexte militaire, la cartographie rapide dans les situations de catastrophes majeures ou de surveillance du territoire (inondations par exemple). Fournir une méthodologie de reconstruction 3D des bâtis dédiée à cette configuration s’avère ainsi particulièrement intéressant en termes de potentiel d’intégration au sein de certains systèmes ou applications en télédétection.
Par ailleurs, il convient de souligner, qu’étant donnée cette configuration d’entrée, au- cune des méthodes classiquement développées dans la littérature et basées sur un couple de deux images optiques ou RADAR (stéréoscopie optique, radargrammétrie et interfé- rométrie RADAR) ne peut ici être mise en œuvre pour la reconstruction des bâtiments.
3.1.2 Choix stratégiques
Nous optons pour deux choix stratégiques majeurs, pour lesquels nous détaillons nos motivations ci-dessous :
– premièrement, étant donnée la complexité qui caractérise les scènes urbaines en imagerie RADAR à haute résolution, il s’avère très délicat de pouvoir détecter la présence de bâtiments directement à partir d’une seule image RADAR ; nous pro- posons donc d’extraire l’information concernant la présence de bâtis potentiels à partir de l’image optique et ensuite de valider cette information à partir des don- nées RADAR ;
– deuxièmement, la visée latérale des capteurs RADAR induit un certain nombre de déformations géométriques, telles que les "zones de recouvrement" et les "zones d’ombre", qui peuvent être utilisées pour retrouver une information de hauteur ; nous proposons donc d’estimer la hauteur des bâtis à partir de l’image RADAR (ce choix étant d’autant plus justifié, que les images optiques, souvent acquises avec un angle de visée proche du nadir, ne révèlent que peu de façades de bâtis et présentent ainsi un faible potentiel "3D").
Nous voyons que la stratégie développée repose sur des rôles distinctement répartis entre la donnée optique et la donnée RADAR : l’information planimétrique est appor- tée par la source optique, quand celle altimétrique provient du capteur RADAR. Une amélioration de la chaîne de traitements proposée pourrait reposer sur une meilleure sy- métrisation de l’apport des deux sources. Des perspectives en ce sens sont présentées dans le chapitre 8 ainsi que des résultats préliminaires.
3.1.3 Organisation de la chaîne proposée
La figure 3.1 présente un schéma synoptique de la chaîne complète, que nous déve- lopperons dans ce manuscrit.
Celle-ci peut être décomposée en quatre étapes successives qui correspondent aux quatre contributions majeures de nos travaux :
1. La détection de bâtiments potentiels et l’extraction précises de leurs emprises en monoscopique optique.
2. La projection et le recalage de ces emprises potentielles depuis la donnée optique vers la donnée RADAR.
présence à partir de l’image RADAR.
4. L’évaluation de la qualité des bâtiments reconstruits par l’introduction de scores de confiance RADAR.
Chacune de ces étapes est décrite en détails et mise en application sur nos scènes d’étude au sein d’un chapitre dédié de ce manuscrit.
Premièrement, nous montrons dans le chapitre 4 que l’information planimétrique relative à la localisation et aux dimensions des emprises de bâtis peut être extraite de l’image optique disponible, à travers la mise en œuvre d’un procédé basé sur des cri- tères morphologiques, géométriques et radiométriques. Nous obtenons en fin d’étape une carte binaire fournissant, dans le référentiel de l’image optique, l’emplacement pré- cis des emprises potentielles, considérées dans la suite comme les primitives optiques auxquelles nous nous réfèrerons.
Deuxièmement, nous expliquons dans le chapitre 5 la méthodologie utilisée lors de l’étape de projection de ces primitives optiques vers la donnée RADAR. Nous proposons notamment un procédé original de recalage fin visant à apparier les primitives optiques projetées avec leurs homologues RADAR. Nous obtenons en fin d’étape un double pro- duit, composé d’une part, d’une carte binaire fournissant, dans le référentiel image RA- DAR, l’emplacement précis des emprises optiques potentielles, projetées et recalées et, d’autre part, un MNT affiné localement au niveau de ces emprises.
Troisièmement, nous démontrons dans le chapitre 6 que l’introduction de données RADAR permet l’obtention d’une information altimétrique. Une nouvelle approche, com- binant un critère statistique RADAR et un critère de contraste RADAR, est mise en œuvre pour estimer la hauteur des bâtis et valider conjointement leur présence. Nous obtenons en fin d’étape une carte en niveaux de gris fournissant, dans le référentiel image RA- DAR, la localisation et les hauteurs estimées des bâtis validés. La reconstruction des bâtis de la scène est alors réalisée en intégrant l’ensemble des informations altimétriques et planimétriques issues du jeu de cartes généré tout au long des traitements.
Dernièrement, nous présentons dans le chapitre 7 une nouvelle méthode de quali- fication de la reconstruction des bâtiments en définissant, pour chaque bâti reconstruit, un score de confiance global. Ce dernier tient compte d’un ensemble de mesures indivi- duelles effectuées à partir des critères RADAR pré-cités. Il permet d’assortir chaque bâti d’un niveau de fiabilité, susceptible d’être fort utile en conditions opérationnelles dans le cadre d’applications semi-supervisées.